Referat 1 - OKAEL Sp. z o.o.

Dokąd zmierzasz czarna skrzynko?

mgr inż. Ryszard Witkowski

Polskie Linie Lotnicze LOT S.A.
00-906 Warszawa, ul. 17-go stycznia 39

Streszczenie

W tym nieco intrygującym pytaniu kryje się próba określenia trendów rozwojowych tzw. czarnych skrzynek, czyli rejestratorów parametrów lotu. Choć w tytułowym pojęciu mieszczą się również rejestratory rozmów oraz w ostatnim czasie zewnętrzne i wewnętrzne rejestratory video, to z pewnością większe zainteresowanie awioników wzbudzają rejestratory parametrów lotu. Podlegają one różnorodnym przemianom. Rejestratory zwiększają swoje możliwości; zapisują dłuższy okres lotu, większą ilość parametrów i robią to precyzyjniej. Na ile ten proces jest wynikiem postępu technologicznego? Jaki wpływ na wprowadzane zmiany mają zaistniałe wypadki w lotnictwie, a jaki grupy specjalistów opracowujących nowe przepisy? Jakie słabe punkty rejestratorów uwidoczniły ostatnie katastrofy lotnicze i jak temu zaradzić w przyszłości? Czy czarne skrzynki będą musiały "nauczyć się" nowych funkcji, aby mogły spełniać do końca swoją rolę? Najnowsza historia rejestratorów to, jak zasygnalizowano wyżej, więcej trudnych pytań niż łatwych odpowiedzi, co próbuje przedstawić niniejszy artykuł.

1. Trudne początki

Rejestracja parametrów lotu jest starsza od pierwszych samolotów, gdyż pomiarów dokonywano już na pokładach XIX-wiecznych balonów. Z ówczesnych manometrów i termometrów spisywano dostępne wielkości fizyczne głównie dla celów meteorologicznych. Późniejsze barografy i tachografy wyeliminowały potrzebę udziału człowieka w ciągłej obserwacji i ręcznej rejestracji niektórych parametrów, gdyż potrafiły to robić automatycznie. Nieodparcie pojawiła się myśl, aby ekstrapolować tę ideę na zapis większej ilości parametrów, także innych niż atmosferyczne. Powstanie pierwszych rejestratorów lotu zbiegło się z wybuchem II wojny światowej, a operacje lotnictwa wojskowego były dramatycznym poligonem doświadczalnym, gdzie testowano prototypowe, niezbyt doskonałe rozwiązania. Pierwsze komercyjne rejestratory parametrów lotu w transporcie lotniczym pojawiły się w latach 50-tych i były to niezbyt wyrafinowane urządzenia rejestrujące jedynie 5 podstawowych parametrów lotu. Początkowo przepisy nakazywały, aby rejestracji podlegała wysokość barometryczna, kurs magnetyczny, prędkość przyrządowa, przeciążenie normalne i aby na zapisie naniesiona była skala czasowa. Wyposażono w nie pierwsze amerykańskie odrzutowe samoloty pasażerskie, choć niewątpliwą i bezpośrednią przyczyną były katastrofy brytyjskich samolotów Comet. W pierwszych czarnych skrzynkach stosowano między innymi zapis lotu na taśmie filmowej, a przekształcenia parametrów odbywały się w procesie sterowania promienia świetlnego przez układ lusterek przekazujących sygnał z przetworników elektrycznych. Prawdopodobnie termin "czarna skrzynka" pochodzi od tego typu rozwiązania sprzętowego, gdyż konieczne było w nim zapewnienie całkowitej szczelności tak jak w korpusie tradycyjnego aparatu fotograficznego. Jednak istniały także rozwiązania oparte na taśmie metalowej lub drucie wolframowym, a także na rysowaniu rysikiem na taśmie celuloidowej lub papierowej. Pięcioparametrowe rejestratory utrzymywały się bardzo długo w eksploatacji, ale kilka wypadków samolotów w nie wyposażonych, szczególnie starszych modeli Boeingów B737, unaoczniły ich bezużyteczność w analizie wypadków lotniczych, w związku z czym zostały wycofane. Drugą generacją rejestratorów parametrów lotu były urządzenia zapisujące na taśmie magnetycznej. Zapis większej ilości parametrów możliwy był dzięki skonstruowaniu jednostek towarzyszących rejestratorom, które dla nich zbierały dane z różnych źródeł i organizowały w ramki możliwe do zapisu. Były to tzw. szyfratory lub z angielska FDAU (Flight Data Acquisition Unit).

Rys. 1 Wewnątrz magnetycznej czarnej skrzynki

Zadaniem szyfratora jest zbieranie sygnałów wejściowych o rozmaitym charakterze (analogowe, cyfrowe), o rozmaitej częstotliwości ich generowania czy rozmaitej amplitudzie. Następnym krokiem jest tworzenie ramki danych, najczęściej o wielokrotności 64 słów 12-bitowych na sekundę (64 w/s, 128w/s, 256 w/s itd), a na końcu wysłanie do układu zapisującego w rejestratorze. Takie rozwiązanie istnieje od lat 60-tych do chwili obecnej, choć wskazuje się na konieczność ustalenia daty wycofania rejestratorów taśmowych. Trzecią generacją są rejestratory typu SSFDR (Solid State Flight Data Recorder). Ich rozwój datuje się od końca lat 80-tych XX wieku, kiedy to powstał pierwszy model. Innowacja polega na wyeliminowaniu taśmy magnetycznej, a zapis parametrów odbywa się w pamięci półprzewodnikowej. Korzyścią dla operatorów jest niższy koszt eksploatacji rejestratorów, ze względu na brak konieczności przeglądów i wymiany taśmy magnetycznej. Dużo szybszy i prostszy jest także proces odczytu danych. Wprawdzie pod względem ogólnej idei zespół szyfrator-rejestrator (FDAMU-SSFDR) działa podobnie jak w przypadku rejestratorów taśmowych, jednak szeroko wykorzystywana technologia cyfrowa umożliwia dodawanie nowych funkcji. Może to być np. możliwość zmiany ramki parametrów definiowanych przez użytkownika lub programowanie raportów eksploatacyjnych w ramach funkcji ACMS (Aircraft Condition Monitoring System).

Rys. 2 Pamięć półprzewodnikowa

2. Więcej, pewniej, precyzyjniej

Czy naturalną konsekwencją zmiany generacji rejestratorów parametrów lotu jest zwiększanie ich możliwości? Z pewnością tak, ale wpływ na to ma nie tylko postęp technologiczny, jakim niewątpliwie podlega technika lotnicza w tym także czarne skrzynki. Zdecydowanie mocniejszym regulatorem są tu przepisy i prawo lotnicze, a także niekiedy katastrofy i zdarzenia w lotnictwie, szczególnie te, w których rejestratory lub ich brak czy zniszczenie miały decydujący wpływ na późniejsze prace komisji badań wypadków lotniczych.

2.1. Zmiany wymagań w prawie i przepisach
Prawo i przepisy lotnicze posiadają swoją hierarchię i strukturę. Kraje, które podpisały Konwencję Chicagowską są obowiązane do stosowania aneksów ICAO, czyli Międzynarodowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego. Aneks 6 określa zasady eksploatacji statków powietrznych, w tym również wymagania odnośnie rejestratorów lotu oraz listy obowiązkowych parametrów. Organem, który jest odpowiedzialny za przygotowywanie propozycji zmian, jest FliRecPanel, czyli Panel Rejestratorów Lotu. Autor niniejszego artykułu kilkukrotnie brał udział w pracach tego panelu. Polegają one na analizie stanu dotychczasowego, ze szczególnym uwzględnieniem ostatnio wprowadzonych standardów, bądź zmiany statusu niektórych zmian z rekomendacji na standardy. I tak nieuchronnym efektem działania Panelu Rejestratorów Lotu jest podnoszenie co kilka lat wymogów odnośnie rejestracji lotu. To, co do niedawna było jedynie rekomendowane w Aneksie 6 ICAO, staje się po kilku-kilkunastu latach obowiązującym standardem. Ma to również przełożenie na przepisy krajowe lub międzynarodowe jak FAA czy JAR, dla których aneksy ICAO są bezpośrednim odniesieniem. Oto przykład pierwszego zestawu parametrów obowiązkowych (mandatory parameters) w rejestratorach tzw. typu I: - czas UTC lub czas skorelowany,
- wysokość ciśnieniowa,
- prędkość przyrządowa,
- kurs magnetyczny,
- przyspieszenie normalne,
- kąt pochylenia,
- kąt przechylenia,
- transmisja radiowa,
- ciąg/moc każdego z silników i położenie manetek,
- położenie klap lub ustawienie dźwigni klap,
- położenie slotów lub ustawienie dźwigni slotów,
- położenie odwracaczy ciągu silnika,
- położenie przerywaczy i/lub hamulców aerodynamicznych,
- temperatura zewnętrzna,
- ustawienie autopilota lub automatu ciągu,
- przyspieszenie podłużne,
- przyspieszenie poprzeczne.
Zestaw taki był obowiązkowy w latach 90-tych dla samolotów w transporcie lotniczym o masie powyżej 20 000 kg. Po 1998 roku w/w parametry rozszerzono na samoloty powyżej 5700 kg, a dla samolotów w transporcie lotniczym o masie powyżej 27 000 kg ustanowiono po 2002 roku nowy standard. Oprócz wyżej wymienionych parametrów obowiązuje rozszerzony zestaw:
- ustawienie trymera steru wysokości,
- wysokość radiowa,
- pionowe odchylenie od ścieżki schodzenia ILS Glide Slope,
- poziome odchylenie od ścieżki schodzenia ILS Localizer,
- znacznik przelotu nad markerem,
- ostrzeżenia,
- częstotliwość pracy urządzeń nawigacyjnych,
- odległość od DME,
- przełącznik położenia podwozia ziemia/powietrze (Air/Ground),
- sygnały układu ostrzegania o niebezpiecznym zbliżaniu do ziemi (GPWS),
- kąt natarcia,
- ostrzeżenia o spadku ciśnienia (w instalacji hydraulicznej lub pneumatycznej),
- prędkość względem ziemi (Groundspeed),
- położenie podwozia (wypuszczone/schowane) lub dźwigni podwozia.
Jak widać w każdej dekadzie rozszerza się standard dotyczący zestawu rejestrowanych pa-rametrów. Oto ostatni przykład wymogów dotyczących samolotów komunikacyjnych wyposażonych w systemy wyświetlaczy elektronicznych:
- wybrana wysokość (selected altitude),
- wybrana prędkość (selected speed),
- wybrana liczba Macha (selected Mach),
- wybrana prędkość pionowa (selected vertical speed),
- wybrany kurs (selected heading),
- wybrana trajektoria lotu (selected flight path),
- wybrana wysokość decyzji (selected decision height),
- format wyświetlania EFIS (EFIS display format),
- format wyświetlania wielofunkcyjnego (Multi function/engine/alerts display format).
Powyższe parametry muszą być rejestrowane z pozycji obu pilotów. Widać więc, jak systematycznie przybywa nowych wymogów do spełnienia, co dotyczy zarówno nowych typów samolotów, jak i w niektórych sytuacjach samolotów od dawna użytkowanych ze względu na konieczność modyfikacji lub wykonania niezbędnych biuletynów. Często są one wynikiem zaistniałych zdarzeń lotniczych bądź działań profilaktycznych, które przed takimi zdarzeniami zapobiegają.

2.2. Zmiany wymuszone okolicznościami
Często w trakcie eksploatacji statków powietrznych zachodzi konieczność dokonania zmian jego systemów lub poszczególnych elementów. Dotyczy to również układu rejestracji czy akwizycji danych. Wspomniany wyżej przykład wydanego przez nadzory lotnicze zakazu użytkowania 5-parametrowych rejestratorów lotu był wynikiem kilku katastrof, w których informacja zapisana w czarnych skrzynkach okazała się bezużyteczna lub dalece niewystarczająca. Zmiany mogą dotyczyć wymiany całych układów rejestracji lub ich poważną modyfikację. Przykładem może być modyfikacja samolotów, które wlatywały nad terytorium USA, gdzie zaczęły obowiązywać ostre wymogi bezpieczeństwa co do wyposażenia samolotów między innymi w systemy TCAS (system zapobiegania kolizjom). Podobne modyfikacje przeprowadzono na samolotach latających w Europie, gdy wprowadzano systemy RNAV (nawigacja obszarowa) lub obowiązkowy mod S w transponderach. Opisane operacje wymagały zmodyfikowania w głównej mierze układów akwizycji danych, gdyż wprowadzano nowe parametry, których dotychczas nie było ani w instalacjach pokładowych ani na szynach z danymi. Takie zmiany są bardzo poważne i kosztowne; nierzadko wymagają wycofania samolotów z eksploatacji na długi czas, a także zabudowy nowych przyrządów, przeprowadzenia wiązek przewodów, integracji z pozostałymi systemami i wielu zmian w oprogramowaniu, dokumentacjach, procedurach operacyjnych i obsługowych, a także programach szkolenia i treningu.
Dlatego nowe typy samolotów projektuje się z odpowiednim wyprzedzeniem w stosunku do obowiązujących przepisów. Przykładem mogą być najnowsze samoloty w komunikacji lotniczej wszystkich przodujących producentów. Samoloty Embraer 170, 175 i 190 rejestrują ok. 1000 parametrów, dużo więcej niż wymagają przepisy ICAO, FAA czy JAR.

2.3. Zmiany wymogów konstrukcyjnych
Wraz ze zwiększaniem istotnej zawartości czarnych skrzynek, którymi są parametry lotu oraz zapis rozmów, następują zmiany wymagań co do ich własności konstrukcyjnych, wytrzymałościowych, termicznych itp. Ma to swoje odzwierciedlenie w przepisach i prawie lotniczym, podobnie jak przy ustalaniu obowiązującej listy parametrów, z tą jednak różnicą, że największy udział w tworzeniu tych wymagań mają organizacje związane z technicznymi aspektami projektowania i produkcji lotniczej. Przy ustalaniu rozwiązań konstrukcyjnych rejestratorów rozmów i parametrów lotu dużą rolę odgrywają dokumenty organizacji EUROCAE, która określa wytyczne do projektowania systemów awioniki. W przypadku rejestratorów są to dokumenty ED55, ED56, ED112 oraz ED155. Zwiększanie wymagań konstrukcyjnych w kolejnych generacjach rejestratorów widać choćby na przykładzie rosnącego przeciążenia niszczącego dla nośnika informacji. W pierwszej generacji czarnych skrzynek przyjęto współczynnik przeciążenia 100 g, co okazało się niewystarczające i późniejsze konstrukcje musiały wytrzymać 1000 g. Obecnie jest to dla większości rejestratorów katastroficznych 3400 g ze wskazaniem na dalszy wzrost, gdyż już teraz niektóre konstrukcje wytrzymują 6000 g. Podobnie rzecz ma się z odpornością na temperaturę, odpornością na wodę morską, sól i inne szkodliwe substancje. Rosną też wymagania odnośnie procentowej dokładności zapisu poszczególnych parametrów lub możliwej dopuszczalnej ilości błędnych ramek na jednostkę czasu.

3. Recovery, znaczy odzyskać dane

Lot francuskiego Airbusa A330-200 lecącego 1 lipca 2009 r. z Rio de Janeiro do Paryża zakończył się podwójną katastrofą. Pierwszą i niewątpliwie najdotkliwszą była śmierć wszystkich na pokładzie osób oraz utrata samolotu. Drugą było nieodnalezienie czarnych skrzynek w wodach Atlantyku /niniejszy artykuł był pisany przed odnalezieniem rejestratorów/. Dla francuskiego Biura Badania i Analiz Wypadków Lotniczych BEA była to sprawa prestiżowa, jednak wobec braku praktycznie jakichkolwiek informacji nie mogła zakończyć się powodzeniem. Oprócz kilku szczątkowych komunikatów o raczej spekulatywnym charakterze udało się osiągnąć jedno - powołać zespół specjalistów, który opracował wytyczne dla całego procesu odnajdywania czarnych skrzynek i odzyskiwania z nich istotnych informacji. Główny nacisk położono na utratę rejestratorów w lotach nad wodami, jednak proponowane rozwiązania mogą mieć pozytywny wpływ na inne aspekty badania wypadków lotniczych, szczególnie przy utracie danych lub poważnych zniszczeniach czarnych skrzynek. Prace zespołu złożonego ze 120 osób reprezentujących takie organizacje jak ICAO, EASA, FAA, BEA, NTSB, BFU, Airbus, Boeing, Honeywell, GE, EADS, L3Com, IATA, IFALPA, SITA, Air France i inne, poszły w trzech kierunkach:

3.1 Transmisja danych z lotu
Zespół uznał, że bezprzewodowa transmisja parametrów lotu jest na tyle dojrzałym procesem, a często i produktem, że może być rekomendowana jako sposób pozyskania danych z rejestratorów. Rozważano kilka sposobów tej transmisji:
- transmisja parametrów lotu w czasie rzeczywistym,
- transmisja parametrów lotu wymuszona sygnałem uruchamianym w razie katastrofy,
- rozszerzone raportowanie pozycji geograficznej o podstawowe parametry lotu za pomocą sieci ACARS,
- podwodna transmisja danych z rejestratora po namierzeniu przez pływające jednostki po-szukiwawcze.
Transmisja danych z lotu jest już szeroko stosowana w praktyce i wielu operatorów korzysta z kilku rozwiązań opartych w głównej mierze o sieci GSM lub WiFi. Jednakże jest to dostępne głównie na terenach lądowych o rozwiniętej infrastrukturze. W przypadku przelotów nad dużymi akwenami pozostaje łączność satelitarna (Iridium, Inmarsat, Astrium) - rozwiązanie już istniejące, ale kosztowne. Przy okazji zespół wskazał na konieczność zwiększania ramki parametrów do 1024 słów/sek, co jednak w tej chwili jest trudne do osiągnięcia, gdyż jedynie nieliczne samoloty posiadają ramkę 512 słów/sek, a większość rejestruje w sekundę 64-128 słów. Niewielkich zmian i nakładów wymagałoby rozszerzenie transmisji acarsowej o niezbędne parametry do lokalizacji wraku i podstawowej analizy w badaniu wypadku lotniczego, natomiast wariant podwodnej transmisji do statku poszukiwawczego uznano za zbyt mało zaawansowany.

3.2 Rejestratory nowych technologii
Opracowano założenia do projektowania rejestratorów o całkowicie nowych funkcjach takich jak pływalność i autonomiczność po katastrofie. Są one zawarte w dokumentach EUROCAE ED-112 i ED-155. Takie rozwiązanie będzie dotyczyć samolotów budowanych w przyszłości. W istniejących samolotach rozważano możliwość instalacji dodatkowego rejestratora o lekkiej konstrukcji i wyposażonego w funkcję pływalności jako uzupełnienie dotychczasowych czarnych skrzynek. Proponowano również zastępowanie istniejących rozwiązań, czyli zestawów DFDR+CVR, dwoma rejestratorami typu Combo (zintegrowany rejestrator rozmów i parametrów lotu).

3.3 ULB i ELT, czyli zlokalizować wrak
Prace w tym kierunku przybrały najwięcej konkretnych efektów. Podniesienie żywotności ULB (Underwater Located Beacon) z 30 do 90 dni po katastrofie stało się jednym z pierwszych wniosków złożonych do ICAO i EASA. Postulowano również rozszerzenie częstotliwości pracy nadajnika ULB ze standardowych 37.5 kHz na niższe częstotliwości w przedziale od 3 do 9 kHz, które dają większy zasięg w wodzie morskiej. W przypadku rejestratorów odrzucanych z samolotu w momencie katastrofy ULB powinny być zarówno przy samolocie jak i przy rejestratorze. Duże szanse na wprowadzenie do eksploatacji mają również urządzenia ELT (Emergency Locator Transmitter) zintegrowane z nadajnikiem GPS, które uruchamiane impaktowo wysyłają dane o położeniu geograficznym.

4. Wokół rejestratora

Aby wykorzystanie danych z czarnych skrzynek było możliwe, potrzebne są środki do ich obróbki i analizy. Wraz z kolejnymi generacjami rejestratorów zmieniało się niezbędne otoczenie. I generacja to często bezpośredni odczyt z naświetlonej czy zarysowanej taśmy, II magnetyczna wyzwoliła konieczność transformacji zakodowanych parametrów do inżynierskich wielkości, co było często procesem złożonym, praco- i czasochłonnym, a dopiero u jej schyłku z pomocą przyszła technika cyfrowa. III generacja "solid state" to pełna integracja i synergia z komputerami, a ich rosnące możliwości wpływają na ciągłe ulepszanie odczytu danych, ich analizę, prezentację, archiwizację itp. Przyszłość to zapewne pełna integracja z systemami bezpieczeństwa SMS oraz zdalne sterowanie rejestracją lotu.

Rys. 3 Współczesny program do analizy parametrów lotu

5. Podsumowanie

Przytoczone w referacie informacje wskazują na ciągłe powiększanie możliwości rejestratorów zarówno pod względem ilościowym jak i jakościowym. Ulepszaniu poddane będą też konstrukcja i odporność czarnych skrzynek na katastroficzne czynniki. Z jednej strony widać, że będą to urządzenia o dużej autonomiczności, szczególnie po zaistnieniu wypadku lotniczego, z drugiej strony w pełni zsynchronizowane i wykorzystujące zasoby samolotu.

Tabela 1. Krótka charakterystyka generacji rejestratorów

Bibliografia

Teledyne Controls: "Taking Information To A Higher Plane" - User Conference, Santa Monica CA, USA, April 2007
BEA: Flight Data Recovery Working Group Report, Paris Le Bourget, 2009
Avionica Inc.: Real Innovations Real Solutions, Miami FL, USA, Sept. 2005
Honeywell: CMM Recorder, Digital Voice/Data (DVDR), December 2002
SFIMM: Ground Support Equipment for ACMS, Paris, 1993
Witkowski R.: "System gromadzenia, analiz i przetwarzania danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu", III Konferencja Awioniki, Waplewo 2001

Referaty

Ryszard Witkowski, OKAEL Sp. z o. o. - referaty z konferencji

Dokąd zmierzasz czarna skrzynko?